Diese Arbeit beschäftigt sich der Modulation und Regelung von Mehrpunktstromrichtern zum Antrieb elektrischer Maschinen unter Nutzung optimierter Pulsmuster. Ziel der Arbeit ist es, das Potential und die Grenzen der Modulation mit optimierten Pulsmustern unter der Randbedingung der heute vorhandenen Softwareframeworks und Rechentechnik aufzuzeigen. Darüber hinaus soll dem Leser ein gesamtheitlicher Überblick über die optimierten Pulsmuster vermittelt werden. Ausgehend vom Stand der Technik der verbreiteten Arten der Modulation werden die optimierten Pulsmuster eingeführt. Für die notwendige Berechnung der Pulsmuster als Lösung einer Optimierungsaufgabe wird ein allgemeines Konzept der mathematischen Beschreibung vorgestellt. Darauf basierend werden zehn heute verfügbare numerische Löser auf ihre Konvergenz bezüglich der Lösung des gestellten Problems untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, optimierte Pulsmuster mit Frequenzverhältnissen mf ≤ 21 online zu berechnen und dass geeignete Löser auch bei mf ≫ 50 sicher konvergieren. Eine Analyse der gefundenen Lösungen zeigt, dass der von trägerbasierten Modulationen bekannte lineare Zusammenhang zwischen mittlerer Schaltfrequenz und Schaltverlusten bei den optimierten Pulsmustern nicht gegeben ist. Darauf aufbauend wird ein neuer Algorithmus zur Wahl verlustminimierter Pulsmuster erarbeitet. Es zeigt sich, dass dessen Einsatz auch bei mf ≫ 21 gegenüber der Raumzeigermodulation zu einer signifikanten Reduktion der Schaltverluste (ca. 20%) führt. Mit den Grundlagen der Berechnung und der Analyse der Eigenschaften der optimierten Pulsmuster, wird basierend auf dem Stand der Technik ein neuartiger lastunabhängiger Modulator entwickelt. Dieser kompensiert die Unstetigkeiten der Pulsmusterwechsel durch Regelung des Integrals des harmonischen Inhalts der Pulsmuster. Aufbauend auf diesem neuartigen Modulator wird eine parameterrobuste Maschinenregelung entworfen. Diese weist eine Dead-Beat-Dynamik der Regelung des elektrischen Momentes einer angeschlossenen Maschine auf und ermöglicht im stationären Zustand, im Gegensatz zu den bestehenden Konzepten, die Ausgabe eines unveränderten Pulsmusters. Damit wird die angestrebte minimierte Stromwelligkeit erreicht. Im letzten Teil der Arbeit wird der Einfluss einer Modulation mit optimierten Pulsmustern auf den Symmetrierungsvorgang eines selbstgeführten Dreipunkt-UStromrichter (3L-NPC-VSC) untersucht. Dabei wird eine neue Methode der Reduktion der dynamischen Zwischenkreiswelligkeit, sowie eine neuartige, in allen Arbeitspunkten stabile, Methode der statischen Zwischenkreissymmetrierung präsentiert. Alle erarbeiteten Algorithmen wurden mit Hilfe von Simulationen und Experimenten verifiziert.:1 Einleitung 1 1.1 Inhalt und Motivation der vorliegenden Arbeit 2 1.2 Experimenteller Versuchsstand 4 1.3 Verwendete Grundlagen und Kennwerte 6 1.3.1 Fourieranalyse 6 1.3.2 Laplace-Transformation 7 1.3.3 Gütekriterien 8 2 Modulation 9 2.1 Klassifikation der Generierung der Pulsmuster 9 2.2 Modulationsverfahren 11 2.2.1 Trägerbasierte Pulsweitenmodulation 11 2.2.2 Raumzeigermodulation 22 2.2.3 Optimierte Pulsmuster 25 3 Optimierte Pulsmuster 29 3.1 Optimierungskriterien 30 3.1.1 Gewichtetes Gesamt-Oberschwingungsverhältnis 30 3.1.2 Gesamt-Oberschwingungsverhältnis 30 3.1.3 Minimale Drehmomentwelligkeit 31 3.1.4 Individuelle Wichtung der Harmonischen 32 3.1.5 Verlustminimierung in der Last 33 3.1.6 Schaltverlustminimierung der Halbleiter des Umrichters 34 3.2 Formulierung der Optimierungsaufgabe der optimierten Pulsmuster 35 3.2.1 Berechnung der Fourierkoeffizienten 36 3.2.2 Notwendige Nebenbedingungen der Optimierung 38 3.3 Vergleich von Algorithmen der nichtlinearen Optimierung 38 3.3.1 Vergleich verschiedener Lösungsmethoden 39 3.3.2 Definition des für den Vergleich genutzten Problems 43 3.3.3 Dauer der Berechnung der lokalen Minima 44 3.3.4 Vergleich der lokalen Minima der verschiedenen Löser 45 3.3.5 Berechnung verlustminimaler optimierter Pulsmuster 46 3.3.6 Untersuchungen zur Auswahl der lokalen Minima 47 3.3.7 Vergleich der optimierten Pulsmuster mit SVM und CB-Modulation 56 4 Stand der Technik der Regelung von Drehstrommaschinen 60 4.1 Grundlagen der Modellierung der Asynchronmaschine 60 4.2 Klassische Ansätze der Regelung elektrischer Maschinen 62 4.2.1 Feldorientierte Regelung 62 4.2.2 Direkte Selbstregelung 69 4.2.3 Direkte Momentenregelung 72 4.2.4 Vergleich der vorgestellten klassischen Regelungsarten 75 4.3 Regelung mit optimierten Pulsmustern auf Basis der Feldorientierung 76 4.3.1 Dynamischer Modulationsfehler durch unstetige Pulsmuster 76 4.3.2 Direkte Pulsmustermodifikation 80 4.3.3 Behandlung des dynamischen Modulationsfehlers 84 4.4 Geschlossener Regelkreis 86 4.5 Regelung mit optimierten Pulsmustern auf Basis der DSC 92 4.5.1 Eigenschaften der vorgestellten Pulserzeugungsarten 94 4.5.2 Dynamischen Eigenschaften der vorgestellten Regelungsstrukturen 95 5 Verallgemeinerte Konzepte zur Nutzung optimierter Pulsmuster 98 5.1 Implementierung eines allgemeingültigen OPP-Modulators 98 5.2 Behandlung des harmonischen Anteils der Pulsmuster 104 5.3 Modulation und Modifikation der Pulsmuster bei hohem mf 105 5.4 Dead-Beat-Control auf Basis der Pulsmustermodifikation 108 5.5 Maschinen-Beobachter 109 5.5.1 Beobachter der Asynchronmaschine 111 5.5.2 Beobachter der permanenterregten Synchronmaschine 114 5.6 Geschlossener Statorflussregelkreis 115 5.6.1 Untersuchung der Sensitivität des Modells 119 5.7 Entwurf der übergeordneten Regelkreise 123 5.7.1 Entwurf des Rotorflussreglers 125 5.7.2 Entwurf des Drehzahlreglers 126 5.7.3 Begrenzung des Statorstromes 127 5.7.4 Simulative und experimentelle Ergebnisse 127 6 Zwischenkreissymmetrierung des 3L-NPC-VSC bei OPP-Modulation 135 6.1 Der Neutralpunktstrom 135 6.2 Minimierung der Neutralpunktstromwelligkeit 138 6.3 Aktive Symmetrierung 140 6.4 Integration der Regelung der Zwischenkreissymmetrie 154 7 Zusammenfassung 158 Literatur 161 Abkürzungsverzeichnis 177 Symbolverzeichnis 178 / This thesis deals with the modulation and control of multilevel converters as electrical drives using an optimized pulse pattern (OPP) modulation scheme. The aim of the work is to determine the potential and the limits of the modulation using OPPs, considering state-of-the-art software frameworks und computing technology. Furthermore the reader shell get a holistic overview of all aspects regarding the use of OPPs. Starting with the state-of-the-art of the most popular modulation schemes and their characteristics the optimized pulse patterns are introduced. A general mathematical formulation, which describes the OPP calculation as minimization problem, is shown. With this formulation, ten implementations of nonlinear constraint minimization algorithms are analyzed with regard to the convergence behavior. It is shown, that OPP can be calculated online for frequency ratios mf ≫ 21. Further, some algorithms converge reliable also for mf ≫ 50. Afterwards, the solutions of the minimization of the weighted total harmonic distortion (WTHD) problem are analyzed. It is shown, that the linear relationship between the averaged switching frequency and the switching loss, which is known from carrier based modulation schemes, does not apply for OPPs. A new method to find loss optimized pulse patterns is proposed. With this method the modulation using OPPs can reduce the converter switching losses in comparison to space vector modulation significantly (20%) also for mf ≫ 21. Based on the analysis of the found OPP solutions a novel modulator, which is independent of the parameters of the load, is proposed. This modulator compensates the discontinuities due to the pulse pattern changes by controlling the integral of the harmonic content of the modulator output. Based on this modulator a new parameter robust machine control was developed. This concept shows a dead-beat-dynamic of the control of the electrical torque and uses in contrast to state-of-the-art concepts the unmodified OPP in steady state, which leads to a minimal load current ripple. The last part of the thesis deals with the influence of using an OPP modulation on the DC-link balancing of a Three-Level Neutral-Point-Clamped Voltage-Source-Converter (3L-NPC-VSC). A new method to reduce the dynamic neutral-pointpotential-ripple as well as a new stable static balancing method are proposed. All proposed algorithms and methods are verified by simulation and experiment.:1 Einleitung 1 1.1 Inhalt und Motivation der vorliegenden Arbeit 2 1.2 Experimenteller Versuchsstand 4 1.3 Verwendete Grundlagen und Kennwerte 6 1.3.1 Fourieranalyse 6 1.3.2 Laplace-Transformation 7 1.3.3 Gütekriterien 8 2 Modulation 9 2.1 Klassifikation der Generierung der Pulsmuster 9 2.2 Modulationsverfahren 11 2.2.1 Trägerbasierte Pulsweitenmodulation 11 2.2.2 Raumzeigermodulation 22 2.2.3 Optimierte Pulsmuster 25 3 Optimierte Pulsmuster 29 3.1 Optimierungskriterien 30 3.1.1 Gewichtetes Gesamt-Oberschwingungsverhältnis 30 3.1.2 Gesamt-Oberschwingungsverhältnis 30 3.1.3 Minimale Drehmomentwelligkeit 31 3.1.4 Individuelle Wichtung der Harmonischen 32 3.1.5 Verlustminimierung in der Last 33 3.1.6 Schaltverlustminimierung der Halbleiter des Umrichters 34 3.2 Formulierung der Optimierungsaufgabe der optimierten Pulsmuster 35 3.2.1 Berechnung der Fourierkoeffizienten 36 3.2.2 Notwendige Nebenbedingungen der Optimierung 38 3.3 Vergleich von Algorithmen der nichtlinearen Optimierung 38 3.3.1 Vergleich verschiedener Lösungsmethoden 39 3.3.2 Definition des für den Vergleich genutzten Problems 43 3.3.3 Dauer der Berechnung der lokalen Minima 44 3.3.4 Vergleich der lokalen Minima der verschiedenen Löser 45 3.3.5 Berechnung verlustminimaler optimierter Pulsmuster 46 3.3.6 Untersuchungen zur Auswahl der lokalen Minima 47 3.3.7 Vergleich der optimierten Pulsmuster mit SVM und CB-Modulation 56 4 Stand der Technik der Regelung von Drehstrommaschinen 60 4.1 Grundlagen der Modellierung der Asynchronmaschine 60 4.2 Klassische Ansätze der Regelung elektrischer Maschinen 62 4.2.1 Feldorientierte Regelung 62 4.2.2 Direkte Selbstregelung 69 4.2.3 Direkte Momentenregelung 72 4.2.4 Vergleich der vorgestellten klassischen Regelungsarten 75 4.3 Regelung mit optimierten Pulsmustern auf Basis der Feldorientierung 76 4.3.1 Dynamischer Modulationsfehler durch unstetige Pulsmuster 76 4.3.2 Direkte Pulsmustermodifikation 80 4.3.3 Behandlung des dynamischen Modulationsfehlers 84 4.4 Geschlossener Regelkreis 86 4.5 Regelung mit optimierten Pulsmustern auf Basis der DSC 92 4.5.1 Eigenschaften der vorgestellten Pulserzeugungsarten 94 4.5.2 Dynamischen Eigenschaften der vorgestellten Regelungsstrukturen 95 5 Verallgemeinerte Konzepte zur Nutzung optimierter Pulsmuster 98 5.1 Implementierung eines allgemeingültigen OPP-Modulators 98 5.2 Behandlung des harmonischen Anteils der Pulsmuster 104 5.3 Modulation und Modifikation der Pulsmuster bei hohem mf 105 5.4 Dead-Beat-Control auf Basis der Pulsmustermodifikation 108 5.5 Maschinen-Beobachter 109 5.5.1 Beobachter der Asynchronmaschine 111 5.5.2 Beobachter der permanenterregten Synchronmaschine 114 5.6 Geschlossener Statorflussregelkreis 115 5.6.1 Untersuchung der Sensitivität des Modells 119 5.7 Entwurf der übergeordneten Regelkreise 123 5.7.1 Entwurf des Rotorflussreglers 125 5.7.2 Entwurf des Drehzahlreglers 126 5.7.3 Begrenzung des Statorstromes 127 5.7.4 Simulative und experimentelle Ergebnisse 127 6 Zwischenkreissymmetrierung des 3L-NPC-VSC bei OPP-Modulation 135 6.1 Der Neutralpunktstrom 135 6.2 Minimierung der Neutralpunktstromwelligkeit 138 6.3 Aktive Symmetrierung 140 6.4 Integration der Regelung der Zwischenkreissymmetrie 154 7 Zusammenfassung 158 Literatur 161 Abkürzungsverzeichnis 177 Symbolverzeichnis 178

Das Ziel der Arbeit war die Untersuchung eines neuartigen Phasenbausteins mit der Topologie des Dreipunkt – Neutral Point Clamped – Stromrichters mit Spannungszwischenkreis (3L-NPC-VSC) für Windkraftanwendungen. Wichtige Anforderungen an den Phasenbaustein und daraus resultierende Herausforderungen, sowie Lösungen für ausgewählte Teilprobleme werden präsentiert. Um die Vorteile des 3L-NPC-VSC für Hersteller von Windkraftanlagen zugänglich zu machen, ist es sinnvoll, einen neuartigen Phasenbaustein zu entwickeln. Der Phasenbaustein soll einfach in Systeme zu integrieren sein, in denen gegenwärtig Zweipunktstromrichter (2L-VSC) zum Einsatz kommen. Da sich Modulation, Zwischenkreisbalancierung und Kurzschlussschutz vom 2L-VSC unterscheiden, soll der Phasenbaustein diese Herausforderungen eigenständig bewältigen. Die Arbeit beschreibt die Konzeption eines solchen Phasenbausteins und behandelt insbesondere die Modulation, die Zwischenkreisbalancierung und den Kurzschlussschutz des 3L-NPC-VSC. Ein Vergleich verschiedener Modulationsverfahren wurde durchgeführt und die am besten geeigneten Verfahren für die Implementation in den Phasenbaustein ausgewählt. Eine Anforderung war, dass dieser Signale einer übergeordneten Regelung verarbeiten kann, welche für einen 2L-VSC berechnet wurden. Ein Überblick der Zwischenkreisbalancierungsverfahren zeigte, dass nahezu alle den Nachteil einer zusätzlich benötigten Strommessung haben. Die Untersuchung einer neuen an der Professur Leistungselektronik der TU Dresden entwickelten Methode ohne den Bedarf der Strommessung zeigte, dass diese anwendbar ist. Der Algorithmus wurde simuliert, implementiert und experimentell getestet und zeigte gute Resultate. Die Aufgabe eines komplett unabhängigen Kurzschlussschutzes war die schwierigste. Alle möglichen Fehler innerhalb eines Moduls wurden analysiert und kategorisiert. Einige Fehlertypen können innerhalb einer Phase behandelt werden. Entsprechende Algorithmen wurden entwickelt und getestet. Allerdings gibt es Fehlertypen, die nicht durch die Steuerung einer einzelnen Phase behandelt werden können. Eine schnelle Kommunikation zwischen den drei Phasen des Konverters wäre notwendig. Alternativ könnte eine übergeordnete Steuerung diese Fehler behandeln. Zum Schluss wurde ein Demonstrator des Phasenbausteins aufgebaut und experimentell untersucht. Einige Messergebnisse werden gezeigt, um die Funktion zu verifizieren.

Das Ziel der Arbeit war die Untersuchung eines neuartigen Phasenbausteins mit der Topologie des Dreipunkt – Neutral Point Clamped – Stromrichters mit Spannungszwischenkreis (3L-NPC-VSC) für Windkraftanwendungen. Wichtige Anforderungen an den Phasenbaustein und daraus resultierende Herausforderungen, sowie Lösungen für ausgewählte Teilprobleme werden präsentiert. Um die Vorteile des 3L-NPC-VSC für Hersteller von Windkraftanlagen zugänglich zu machen, ist es sinnvoll, einen neuartigen Phasenbaustein zu entwickeln. Der Phasenbaustein soll einfach in Systeme zu integrieren sein, in denen gegenwärtig Zweipunktstromrichter (2L-VSC) zum Einsatz kommen. Da sich Modulation, Zwischenkreisbalancierung und Kurzschlussschutz vom 2L-VSC unterscheiden, soll der Phasenbaustein diese Herausforderungen eigenständig bewältigen. Die Arbeit beschreibt die Konzeption eines solchen Phasenbausteins und behandelt insbesondere die Modulation, die Zwischenkreisbalancierung und den Kurzschlussschutz des 3L-NPC-VSC. Ein Vergleich verschiedener Modulationsverfahren wurde durchgeführt und die am besten geeigneten Verfahren für die Implementation in den Phasenbaustein ausgewählt. Eine Anforderung war, dass dieser Signale einer übergeordneten Regelung verarbeiten kann, welche für einen 2L-VSC berechnet wurden. Ein Überblick der Zwischenkreisbalancierungsverfahren zeigte, dass nahezu alle den Nachteil einer zusätzlich benötigten Strommessung haben. Die Untersuchung einer neuen an der Professur Leistungselektronik der TU Dresden entwickelten Methode ohne den Bedarf der Strommessung zeigte, dass diese anwendbar ist. Der Algorithmus wurde simuliert, implementiert und experimentell getestet und zeigte gute Resultate. Die Aufgabe eines komplett unabhängigen Kurzschlussschutzes war die schwierigste. Alle möglichen Fehler innerhalb eines Moduls wurden analysiert und kategorisiert. Einige Fehlertypen können innerhalb einer Phase behandelt werden. Entsprechende Algorithmen wurden entwickelt und getestet. Allerdings gibt es Fehlertypen, die nicht durch die Steuerung einer einzelnen Phase behandelt werden können. Eine schnelle Kommunikation zwischen den drei Phasen des Konverters wäre notwendig. Alternativ könnte eine übergeordnete Steuerung diese Fehler behandeln. Zum Schluss wurde ein Demonstrator des Phasenbausteins aufgebaut und experimentell untersucht. Einige Messergebnisse werden gezeigt, um die Funktion zu verifizieren.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 1.3 Inhalt der Arbeit 2 Stromrichter für Windkraftanlagen 2.1 Stand der Technik 2.1.1 Zweipunktstromrichter mit Spannungszwischenkreis 2.1.2 Dreipunkt-Neutral-Point-Clamped-Stromrichter mit Spannungszwischenkreis 2.1.3 Kommerziell verfügbare Stromrichter für WKA 2.2 Vollumrichterlösung mit erhöhter Ausgangsspannung 2.2.1 Motivation und Anforderungen 2.2.2 Vereinfachter Vergleich von Zwei- und Dreipunktstromrichtern 2.3 Herausforderungen bei der Realisierung des 3L-NPC-VSC 3 Struktur und Funktion eines neuartigen 3L-NPC-Phasenbausteins 3.1 Struktur und Schnittstellen 3.1.1 Stand der Technik für 3L-NPC Phasenbausteine 3.1.2 Neuartiger 3L-NPC-VSC-Phasenbaustein 3.2 Realisierung 3.2.1 Anforderungen 3.2.2 Technische Realisierung 3.3 Experimentelle Verifikation 3.3.1 Versuchsstand 3.3.2 Messergebnisse 4 Modulation und Zwischenkreisbalancierung eines 3L-NPC-VSC 4.1 Modulationsarten im Überblick 4.1.1 Trägerbasierte Modulation für den 3L-NPC-VSC 4.2 Ausgewählte Modulation für den neuartigen Phasenbaustein 4.2.1 Zweipunktraumzeigermodulation in einem Trägerband 2L-SVM 4.2.2 Dreipunktraumzeigermodulation 3L-SVM 4.3 Stand der Technik bei Zwischenkreisbalancierungsverfahren 4.4 Die direkte Totzeitregelung zur Zwischenkreisbalancierung 4.4.1 Theoretische Grundlagen 4.4.2 Simulative Verifikation der direkten Totzeitregelung 4.4.3 Experimentelle Verifikation der DDTC 5 Kurzschlussschutz eines 3L-NPC-VSC-Phasenbausteins 5.1 Versuchsstand I5.2 Kurzschlussfehler einer 3L-NPC-VSC-Phase 5.2.1 Kategorisierung der Kurzschlüsse 5.2.2 Untersuchte Bauteilfehler innerhalb einer 3L-NPC-VSC-Phase 5.3 Kurzschlussbehandlungsmethoden 5.3.1 Stand der Technik 5.3.2 Schutzmaßnahmen für 3L-NPC-VSC 5.4 Analyse von Kurzschlüssen und Ableitung von Behandlungsmaßnahmen 5.4.1 Fehler eines äußeren IGBTs 5.4.2 Fehler eines inneren IGBTs 5.4.3 Fehler einer Clampdiode 5.5 Maßnahmen zur sicheren Behandlung von Kurzschlüssen in 3L-NPC-VSC 6 Zusammenfassung